NiFe2O4基金屬陶瓷材料的稀土摻雜研究.pdf

1、基于惰性陽極的鋁電解技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用,可望改變傳統(tǒng)鋁電解工藝的高污染高能耗的問題,實現(xiàn)原鋁生產(chǎn)的節(jié)能減排目標(biāo)。NiFe2O4基金屬陶瓷是目前最具工業(yè)化應(yīng)用前景的惰性陽極材料,但材料的燒結(jié)致密度及耐電解質(zhì)熔體腐蝕性能仍需進一步提高。本論文在國家“86”’、“973”等項目的資助下,探討稀土氧化物摻雜對10Cu/10NiO-NiFe2O4金屬陶瓷低溫?zé)Y(jié)致密化、晶界凈化與強化以及電解腐蝕性能的影響。論文系統(tǒng)研究了摻雜對材料的燒結(jié)、力學(xué)、導(dǎo)電

2、和耐腐蝕性能的影響,確定了針對10Cu/10NiO-NiFe2O4金屬陶瓷材料燒結(jié)的稀土種類和摻雜量,并對稀土氧化物的作用機理進行了初步探討。獲得的主要研究成果如下:
　　 1)通過熱力學(xué)計算,優(yōu)選Yb2O3、CeO2及Y2O3三種氧化物作為摻雜劑,研究了Yb2O3、CeO2、Y2O3及其含量對10Cu/10NiO-NiFe2O4金屬陶瓷燒結(jié)致密化的影響,結(jié)果表明適量摻雜提高了材料的燒結(jié)致密度,改善了陶瓷基體的晶界結(jié)合特性,增強

3、了陶瓷晶界的耐腐蝕性能。
　　 2)Yb2O3與陶瓷相反應(yīng)生成YbFeO3相并均勻分布于NiFe2O4晶界區(qū),消除了晶界氣孔,晶界變得平直清晰;摻雜量達到2.0％時,YbFeO3相顆粒在晶界處由點狀逐漸匯集成膜。當(dāng)燒結(jié)溫度為1275℃,Yb2O3摻雜量為0.5％時,燒結(jié)試樣的相對度達到95％以上,高于同樣燒結(jié)溫度下未摻雜樣品的93％;抗彎強度由未摻雜時的154.3MPa升高到169.6MPa,并提高了金屬陶瓷的耐腐蝕性能,0.5

4、％Yb2O3摻雜樣品的耐腐蝕性能較好。但YbFeO3相的晶界分布不利于材料的導(dǎo)電性能,摻雜1.0％樣品的電導(dǎo)率(960℃測得,下同)為17.27S/cm,低于未摻雜時的18.07S/cm;同時高摻雜量(2.0％)時YbFeO3的團聚有惡化材料的耐蝕性能的趨勢。
　　 3)CeO2未與陶瓷相發(fā)生明顯的反應(yīng)產(chǎn)生新相,其以球狀顆粒分布于晶界處。CeO2的摻雜可使材料燒結(jié)致密度稍有提高,1275℃燒結(jié)樣品的相對密度達到94％以上,CeO

5、2摻雜量對相對密度的變化影響不大。CeO2摻雜后材料的抗彎強度提高,摻雜0.5％CeO2的樣品抗彎強度可達187.8MPa;但試樣的電導(dǎo)率呈降低趨勢,摻雜量為1.0％時降為15.13S/cm。摻雜1.0％CeO2有利于提高金屬陶瓷材料的耐腐蝕性能。
　　 4)Y2O3摻雜后與陶瓷相反應(yīng)生成的YFeO3相分布于NiO與Cu相附近;Y2O3摻雜可以改變NiO相的分布狀態(tài),NiO在未摻雜試樣中呈塊狀分布,摻雜后的NiO相呈細長的條狀并

6、趨于相互連通的網(wǎng)絡(luò)分布。Y2O3摻雜后材料致密度的提高與微觀結(jié)構(gòu)的改善,有利于提高金屬陶瓷材料的耐腐蝕性能。但摻雜Y2O3后金屬相Cu與陶瓷基體潤濕性問題沒有明顯的改變,燒結(jié)樣品表面有Cu溢出現(xiàn)象;摻雜Y2O3后樣品的電導(dǎo)率降低,摻雜1.0％Y2O3樣品的電導(dǎo)率為17.91S/cm。
　　 5)綜合考慮稀土摻雜對10Cu/10NiO-NiFe2O4金屬陶瓷性能的影響,0.5％Yb2O3的摻雜可以凈化晶界,促進材料的燒結(jié),提高金屬